(57)【要約】 【課題】  空洞の形成を抑えて、接合品質を高くすることができる摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置を提供する。【解決手段】  各被接合部材１２，１３を接合するにあたって、接合ツール１１を被接合物１４に没入した状態で、接合ツール１１を自転および公転させる。さらに公転軸線Ｌ３０を、被接合物１４に予め定められる接合経路２９に沿って変位させる。このようにして、被接合物１４を固相撹拌する。このとき、接合ツール１１の自転方向Ａと公転方向Ｂとを相互に反対に設定する。【選択図】      図１
2005230880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールを没入して、接合ツールをその軸線と一致する自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転させながら、被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールの自転軸線まわりの回転方向と、接合ツールの公転軸線まわりの回転方向とを相互に反対に設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項２】
複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールを没入して、接合ツールをその軸線と一致する自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転させながら、被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
被接合物に対する自転軸線の相対速度を予め定める速度以下に設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法。
【請求項３】
公転軸線まわりの回転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略同一となる方向同一領域では、公転軸線まわりの回転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略反対となる方向反対領域に比べて、公転軸線まわりの回転速度を低く設定することを特徴とする請求項２記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項４】
接合ツールの公転軸線まわりの回転を停止した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させて、接合ツールを被接合物に没入するツール没入段階と、
接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを公転軸線まわりに回転させながら、前記接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌する撹拌段階と、
接合ツールの公転軸線まわりの回転を停止した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させて、接合ツールを被接合物から退出させるツール退出段階とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の摩擦撹拌接合方法。
【請求項５】
複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める自転軸線まわりに回転自在に、かつ自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールが装着されるツール保持具と、
ツール保持具を自転軸線まわりに回転駆動する自転駆動手段と、
ツール保持具を公転軸線まわりに、自転軸線まわりの回転方向とは反対の回転方向に回転駆動する公転駆動手段と、
被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位駆動する軸線変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【請求項６】
複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める自転軸線まわりに回転自在に、かつ自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールが装着されるツール保持具と、
ツール保持具を自転軸線まわりに回転駆動する自転駆動手段と、
ツール保持具を公転軸線まわりに回転駆動する公転駆動手段と、
被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位駆動する軸線変位駆動手段と、
被接合物に対する自転軸線の相対速度が予め定める速度以下となるように、公転駆動手段および軸線変位駆動手段を制御する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術は、特許文献１に記載されている。特許文献１の摩擦撹拌接合方法は、２つの被接合部材である各接合ワークを接合する方法である。この摩擦撹拌接合方法は、長尺平板状の各接合ワークの幅方向の一端面同士を突き合わせ、この突合せ部を、接合ツールである接合工具を用いて突合せ接合する方法である。
【０００３】
接合ワークを接合するにあたっては、接合ツールの本体部である接合工具の回転子を回転させて、接合ツールのピン部である接合工具のプローブを回転させながら、プローブを突合せ部に挿入するとともに、回転子の端面を両接合ワークの表面に圧接する。この状態で、プローブをその軌跡が円を描くように揺動させ、さらにプローブを突合せ部に沿って移動させる。
【０００４】
このような摩擦撹拌接合方法では、プローブが突合せ部を繰返し横断するので、突合せ部に形成された隙間内に、摩擦熱によって軟化した軟化部の肉を充填しながら、接合を行うことができる。これによって前記隙間に起因する接合欠陥の発生を防止することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３４０９７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来の技術のように接合ワークに対して接合工具の軸線を変位させると、その軸線の移動軌跡に関して、接合工具の軸線まわりの回転によって接合工具が回転変位する方向と接合工具の軸線の変位方向とが略同一になる側からその反対側に、接合ワークの材料が流動される。この流動によって、前記略同一になる側に空洞が発生する可能性がある。前記従来の技術では、接合工具の軸線が接合ワークに対して変位することに起因して空洞が発生して、接合品質が低くなることについては、考慮されていない。
【０００７】
したがって本発明の目的は、空洞の形成を抑えて、接合品質を高くすることができる摩擦撹拌接合方法および摩擦撹拌接合装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールを没入して、接合ツールをその軸線と一致する自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転させながら、被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
接合ツールの自転軸線まわりの回転方向と、接合ツールの公転軸線まわりの回転方向とを相互に反対に設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【０００９】
また本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物に、接合ツールを没入して、接合ツールをその軸線と一致する自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転させながら、被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合方法であって、
被接合物に対する自転軸線の相対速度を予め定める速度以下に設定することを特徴とする摩擦撹拌接合方法である。
【００１０】
また本発明は、公転軸線まわりの回転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略同一となる方向同一領域では、公転軸線まわりの回転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略反対となる方向反対領域に比べて、公転軸線まわりの回転速度を低く設定することを特徴とする。
【００１１】
また本発明は、接合ツールの公転軸線まわりの回転を停止した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させて、接合ツールを被接合物に没入するツール没入段階と、
接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させるとともに、接合ツールを公転軸線まわりに回転させながら、前記接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌する撹拌段階と、
接合ツールの公転軸線まわりの回転を停止した状態で、接合ツールを自転軸線まわりに回転させて、接合ツールを被接合物から退出させるツール退出段階とを含むことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める自転軸線まわりに回転自在に、かつ自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールが装着されるツール保持具と、
ツール保持具を自転軸線まわりに回転駆動する自転駆動手段と、
ツール保持具を公転軸線まわりに、自転軸線まわりの回転方向とは反対の回転方向に回転駆動する公転駆動手段と、
被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位駆動する軸線変位駆動手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【００１３】
また本発明は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物を固相撹拌して、各被接合部材を接合する摩擦撹拌接合装置であって、
予め定める自転軸線まわりに回転自在に、かつ自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転自在に設けられ、接合ツールが装着されるツール保持具と、
ツール保持具を自転軸線まわりに回転駆動する自転駆動手段と、
ツール保持具を公転軸線まわりに回転駆動する公転駆動手段と、
被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位駆動する軸線変位駆動手段と、
被接合物に対する自転軸線の相対速度が予め定める速度以下となるように、公転駆動手段および軸線変位駆動手段を制御する制御手段とを含むことを特徴とする摩擦撹拌接合装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、各被接合部材を接合するにあたって、接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを、その軸線と一致する自転軸線まわりに回転（以下「自転」という場合がある）させる。また接合ツールを、自転軸線とは異なる公転軸線まわりに回転（以下「公転」という場合がある）させる。さらに公転軸線を、被接合物に予め定められる接合経路に沿って変位させる。このようにして、被接合物を固相撹拌する。公転について、接合ツールは、自転軸線と平行な公転軸線まわりに回転させてもよく、また、自転軸線に対して予め定める傾斜角度を成して傾斜する公転軸線まわりに回転、すなわち錐揉み回転させてもよい。
【００１５】
各被接合部材を、それらの端面同士を突き合わせた状態で接合する場合、接合経路を、各被接合部材の境界に沿うように定め、接合ツールを自転および公転させて、公転軸線を接合経路に沿って変位させる。このとき、接合ツールは、接合経路、すなわち各被接合部材の境界を繰り返し横断する。したがって各被接合部材の端面の間に隙間があっても、その隙間には、摩擦熱によって軟化されて流動化された被接合物の材料が充填される。これによって、接合品質を高くすることができる。
【００１６】
また、接合ツールの自転方向と公転方向とを相互に反対に設定するので、接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００１７】
詳細に述べると、被接合物に対して接合ツールの自転軸線を変位させると、その自転軸線の移動軌跡に関して、自転によって接合ツールが回転変位する方向と自転軸線の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物の材料が流動される。このとき、被接合物に対する自転軸線の相対速度が高いほど、被接合物の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。
【００１８】
本発明では、接合ツールの自転方向と公転方向とを相互に反対に設定するので、公転によって前記接合経路に垂直な方向に関して自転軸線が振れる振れ領域の内側から外側に被接合物の材料が流動される。したがって振れ領域の内側には空洞が発生しやすいが、振れ領域の外側に空洞が発生することは防ぐことができる。振れ領域の内側では、被接合物が繰り返し流動化される。したがって振れ領域の内側では、仮に空洞が発生したとしても、その空洞の残留を抑えることができる。
【００１９】
このように振れ領域の外側では、空洞の発生を防ぎ、振れ領域の内側では、仮に空洞が発生したとしても、その空洞の残留を抑えることができるので、全体として接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００２０】
接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果は、自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度を低くすることなく、達成することができる。自転速度を低くする必要がないので、被接合物の流動化を阻害しない自転速度で、接合ツールを自転させることができ、被接合物を確実に固相撹拌することができる。また、公転速度、および公転軸線の変位速度を低くする必要がないので、接合ツールが大略的に接合経路に沿って進む速度を低くする必要がなく、高い処理速度を実現することができる。さらに自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度を変化させる必要がないので、自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度の制御を簡単にすることができる。
【００２１】
また本発明によれば、各被接合部材を接合するにあたって、接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを、自転および公転させる。さらに公転軸線を、被接合物に予め定められる接合経路に沿って変位させる。このようにして、被接合物を固相撹拌する。公転について、接合ツールは、自転軸線と平行な公転軸線まわりに回転させてもよく、また、自転軸線に対して予め定める傾斜角度を成して傾斜する公転軸線まわりに回転、すなわち錐揉み回転させてもよい。
【００２２】
各被接合部材を、それらの端面同士を突き合わせた状態で接合する場合、接合経路を、各被接合部材の境界に沿うように定め、接合ツールを自転および公転させて、公転軸線を接合経路に沿って変位させる。このとき、接合ツールは、接合経路、すなわち各被接合部材の境界を繰り返し横断する。したがって各被接合部材の端面の間に隙間があっても、その隙間には、摩擦熱によって軟化されて流動化された被接合物の材料が充填される。これによって、接合品質を高くすることができる。
【００２３】
また、被接合物に対する自転軸線の相対速度を予め定める速度以下に設定するので、接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００２４】
詳細に述べると、被接合物に対して接合ツールの自転軸線を変位させると、その自転軸線の移動軌跡に関して、自転によって接合ツールが回転変位する方向と自転軸線の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物の材料が流動される。このとき、被接合物に対する自転軸線の相対速度が予め定める速度を超えると、被接合物の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。この性質を考慮して、本発明では、被接合物に対する自転軸線の相対速度を予め定める速度以下に設定するので、空洞の発生を防ぎ、接合品質をさらに高くすることができる。
【００２５】
また本発明によれば、公転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略同一となる方向同一領域では、公転による自転軸線の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略反対となる方向反対領域に比べて、公転速度が低くなるように、接合ツールを公転させる。このようにして、方向同一領域において、被接合物に対する自転軸線の相対速度を低くする。
【００２６】
したがって、接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果を、自転速度、および公転軸線の変位速度を低くすることなく、達成することができる。自転速度を低くする必要がないので、被接合物の流動化を阻害しない自転速度で、接合ツールを自転させることができ、被接合物を確実に固相撹拌することができる。また、公転軸線の変位速度を低くする必要がないので、接合ツールが大略的に接合経路に沿って進む速度を低くする必要がなく、高い処理速度を実現することができる。
【００２７】
また、接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果を、接合ツールの自転方向と公転方向との関係に拘わらず、達成することができる。したがって接合ツールの自転方向および公転方向に関しては、接合跡が良好となるように選択して、接合品質をさらに高くすることができる。
【００２８】
また本発明によれば、ツール没入段階では、接合ツールの公転を停止した状態で、接合ツールを自転させて、接合ツールを被接合物に没入する。撹拌段階では、接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを自転させるとともに、接合ツールを公転させながら、接合経路に沿って公転軸線を変位させて、被接合物を固相撹拌する。ツール退出段階では、接合ツールの公転を停止した状態で、接合ツールを自転させて、接合ツールを被接合物から退出させる。
【００２９】
このようにツール没入段階およびツール退出段階では、接合ツールを公転させないので、被接合物の軟化していない端面部に対して、接合ツールが複数回、没入および退出を繰り返してしまうことを防ぐことができる。したがって接合ツールに大きな負荷が繰り返しかかることを防ぎ、接合ツールの破損を防ぐことができる。
【００３０】
また本発明によれば、ツール保持具によって接合ツールを保持し、自転駆動手段によってツール保持具を自転させ、公転駆動手段によってツール保持具を公転させ、軸線変位駆動手段によって被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させる。これによって、接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを自転および公転させ、さらに前記接合経路に沿って変位させ、各被接合部材を接合することができる。
【００３１】
各被接合部材を、それらの端面同士を突き合わせた状態で接合する場合、接合経路を、各被接合部材の境界に沿うように定め、接合ツールを自転および公転させて、公転軸線を接合経路に沿って変位させる。このとき、接合ツールは、接合経路、すなわち各被接合部材の境界を繰り返し横断する。したがって各被接合部材の端面の間に隙間があっても、その隙間には、摩擦熱によって軟化されて流動化された被接合物の材料が充填される。これによって、接合品質を高くすることができる。
【００３２】
また、接合ツールの自転方向と公転方向とが相互に反対であるので、接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００３３】
詳細に述べると、被接合物に対して接合ツールの自転軸線を変位させると、その自転軸線の移動軌跡に関して、自転によって接合ツールが回転変位する方向と自転軸線の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物の材料が流動される。このとき、被接合物に対する自転軸線の相対速度が高いほど、被接合物の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。
【００３４】
本発明では、接合ツールの自転方向と公転方向とが相互に反対であるので、振れ領域の内側から外側に被接合物の材料が流動される。したがって振れ領域の内側には空洞が発生しやすいが、振れ領域の外側に空洞が発生することは防ぐことができる。振れ領域の内側では、被接合物が繰り返し流動化される。したがって振れ領域の内側では、仮に空洞が発生したとしても、その空洞の残留を抑えることができる。
【００３５】
このように振れ領域の外側では、空洞の発生を防ぎ、振れ領域の内側では、仮に空洞が発生したとしても、その空洞の残留を抑えることができるので、全体として接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００３６】
接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果は、自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度を低くすることなく、達成することができる。自転速度を低くする必要がないので、被接合物の流動化を阻害しない自転速度で、接合ツールを自転させることができ、被接合物を確実に固相撹拌することができる。また、公転速度、および公転軸線の変位速度を低くする必要がないので、接合ツールが大略的に接合経路に沿って進む速度を低くする必要がなく、高い処理速度を実現することができる。さらに自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度を変化させる必要がないので、自転速度、公転速度、および公転軸線の変位速度の制御を簡単にすることができる。
【００３７】
また本発明によれば、ツール保持具によって接合ツールを保持し、自転駆動手段によってツール保持具を自転させ、公転駆動手段によってツール保持具を公転させ、軸線変位駆動手段によって被接合物に予め定められる接合経路に沿って公転軸線を変位させる。これによって、接合ツールを被接合物に没入した状態で、接合ツールを自転および公転させ、さらに前記接合経路に沿って変位させ、各被接合部材を接合することができる。
【００３８】
各被接合部材を、それらの端面同士を突き合わせた状態で接合する場合、接合経路を、各被接合部材の境界に沿うように定め、接合ツールを自転および公転させて、公転軸線を接合経路に沿って変位させる。このとき、接合ツールは、接合経路、すなわち各被接合部材の境界を繰り返し横断する。したがって各被接合部材の端面の間に隙間があっても、その隙間には、摩擦熱によって軟化されて流動化された被接合物の材料が充填される。これによって、接合品質を高くすることができる。
【００３９】
また、被接合物に対する自転軸線の相対速度が予め定める速度以下となるように、公転駆動手段および軸線変位駆動手段を、制御手段によって制御するので、接合後の被接合物における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００４０】
詳細に述べると、被接合物に対して接合ツールの自転軸線を変位させると、その自転軸線の移動軌跡に関して、自転によって接合ツールが回転変位する方向と自転軸線の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物の材料が流動される。このとき、被接合物に対する自転軸線の相対速度が予め定める速度を超えると、被接合物の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。この性質を考慮して、本発明では、被接合物に対する自転軸線の相対速度を予め定める速度以下とするので、空洞の発生を防ぎ、接合品質をさらに高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するために、接合前の被接合物１４の一部を示す平面図である。図２は、接合ツール１１の先端部付近を示す断面図である。図３は、図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見た断面図である。
【００４２】
本実施の形態の摩擦撹拌接合方法は、複数の被接合部材を含んで構成される被接合物１４を、接合ツール１１によって固相撹拌して、各被接合部材を接合する方法である。このような摩擦撹拌接合方法は、たとえば自動車および鉄道車両の外板を形成する構造部材を得るために用いられる。
【００４３】
本実施の形態では、被接合物１４は、２つの被接合部材１２，１３を含んで構成される。各被接合部材１２，１３は、板状の部材である。各被接合部材１２，１３は、互いの端面同士が突き合わされる。各被接合部材１２，１３を接合するにあたっては、被接合物１４に対して、各被接合部材１２，１３の境界に沿うように、接合経路２９を予め定める。本実施の形態においては、接合経路２９に沿う方向を、第１方向Ｘ１，Ｘ２と称し、被接合物１４に沿う平面内で、接合経路２９に垂直な方向を、第２方向Ｙ１，Ｙ２と称し、被接合物１４に沿う平面に垂直な方向を、第３方向Ｚ１，Ｚ２と称する。
【００４４】
接合ツール１１は、大略的に円柱状の部材であって、ショルダー部８１と、ピン部２６とを有する。ショルダー部８１は、円柱状である。このショルダー部８１は、接合ツール１１の軸線Ｌ１１に垂直な端面２８が形成される。ピン部２６は、ショルダー部８１よりも外径が小さい円柱状である。このピン部２６は、ショルダー部８１と同軸に設けられ、端面２８から接合ツール１１の軸線Ｌ１１に沿って突出する。ピン部２６の外径Ｄ２６は、たとえば２〜７ｍｍであり、ショルダー部８１の外径Ｄ２８は、たとえば５〜２０ｍｍである。
【００４５】
本実施の形態では、接合ツール１１を被接合物１４に没入した状態で、その接合ツール１１をその軸線Ｌ１１と一致する自転軸線Ｌ１１まわりに回転させる。また前記接合ツール１１を、自転軸線Ｌ１１とは異なる公転軸線Ｌ３０まわりに回転させる。さらに前記公転軸線Ｌ３０を、接合経路２９に沿って変位させる。本実施の形態においては、自転軸線Ｌ１１まわりの回転を、自転と称し、公転軸線Ｌ３０まわりの回転を、公転と称する場合がある。
【００４６】
詳細に述べると、接合ツール１１を被接合物１４に没入した状態は、その接合ツール１１のピン部２６が被接合物１４に没入し、かつその接合ツール１１のショルダー部８１が被接合物１４に当接した状態である。自転軸線Ｌ１１および公転軸線Ｌ３０は、被接合物１４に対して垂直である。自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０との間の距離Ｌ２０は、一定に保たれる。
【００４７】
この状態で、接合ツール１１を、自転および公転させる。接合ツール１１の自転軸線Ｌ１１まわりの回転方向である自転方向Ａと、接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０まわりの回転方向である公転方向Ｂは、相互に反対に設定される。つまり、自転方向Ａが自転軸線Ｌ１１まわりの周方向一方である場合、公転方向Ｂが公転軸線Ｌ１１まわりの周方向他方である。接合ツール１１の自転軸線Ｌ１１まわりの回転速度である自転速度Ｖ１は、予め定める設定自転速度Ｖ１ａであり、接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０まわりの回転速度である公転速度Ｖ２は、予め定める設定公転速度Ｖ２ａである。
【００４８】
さらに被接合物１４に対して公転軸線Ｌ３０を、接合経路２９に沿って、この接合経路２９の一端から他端に向かう方向である第１方向一方Ｘ１に変位させる。被接合物１４に対して公転軸線Ｌ３０が変位する速度である変位速度Ｖ３は、予め定める設定変位速度Ｖ３ａである。
【００４９】
図１には、紙面に垂直上方から見て、自転方向Ａが自転軸線Ｌ１１まわりに反時計まわり方向であり、公転方向Ｂが公転軸線Ｌ３０まわりに時計まわり方向であり、公転軸線Ｌ１１の変位方向が第１方向一方Ｘ１である場合の接合ツール１１の動きが示されている。設定自転速度Ｖ１ａは、１０００〜３０００ｍｉｎ−１に選ばれ、設定公転速度Ｖ２ａは、５〜３０ｍｉｎ−１に選ばれ、設定変位速度Ｖ３ａは、２５０〜５５０ｍｍ／ｍｉｎに選ばれる。
【００５０】
自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０との間の距離Ｌ２０を一定に保って、接合ツール１１を公転させる。したがって公転軸線Ｌ３０に対する自転軸線Ｌ１１の軌跡９０、すなわち公転軸線Ｌ３０の変位を無視して接合ツール１１の公転だけを考慮したときの自転軸線Ｌ１１の軌跡９０は、図３に示すように、公転軸線Ｌ３０を中心とする円軌跡となる。公転軸線Ｌ３０に対する自転軸線Ｌ１１の軌跡９０の直径である公転直径Ｄ９０は、ピン部２６の外径Ｄ２６以上、ショルダー部８１の外径Ｄ２８以下に選ばれる。すなわち自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０との間の距離Ｌ２０は、ピン部２６の外径Ｄ２６の１／２以上、ショルダー部８１の外径Ｄ２８の１／２以下に選ばれる。自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０との間の距離Ｌ２０は、たとえば３ｍｍに選ばれる。
【００５１】
接合ツール１１を公転させるとともに、被接合物１４に対して公転軸線Ｌ３０を接合経路２９に沿って変位させる。したがって被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の軌跡９１は、図１に示すように、コイル状の軌跡となる。詳細に述べると、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の軌跡９１は、複数の環軌跡９２と、各環軌跡９２を連結する複数の連結軌跡９３とによって形成される。各環軌跡９２は、非円形状であって、第１方向Ｘ１，Ｘ２に並ぶ。連結軌跡９３は、第１方向Ｘ１，Ｘ２に相互に近接する各環軌跡９２のうち、一方の環軌跡９２上の一点９４と他方の環軌跡９２上の一点９４とを連結する。
【００５２】
自転軸線Ｌ１１は、公転によって第２方向Ｙ１，Ｙ２に関して振れる。本実施の形態においては、接合経路２９に対して自転軸線Ｌ１１が第２方向一方Ｙ１に最も離れる各点を結ぶ線Ｌ２１と、接合経路２９に対して自転軸線Ｌ１１が第２方向他方Ｙ２に最も離れる各点を結ぶ線Ｌ２２との間の領域を、振れ領域Ｓ１と称する。
【００５３】
図４は、摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するために、接合後の被接合物１４を示す平面図である。図４には、撹拌領域Ｓ１４を斜線で示す。摩擦撹拌接合方法は、後述の摩擦撹拌接合装置１０を用いて行われる。摩擦撹拌接合方法では、大略的には、ツール没入段階、撹拌段階、ツール退出段階が順に行われる。
【００５４】
ツール没入段階では、接合ツール１１の公転を停止した状態で、接合ツール１１を自転させて、接合ツール１１を被接合物１４に没入する。撹拌段階では、接合ツール１１を被接合物１４に没入した状態で、接合ツール１１を自転させるとともに、接合ツール１１を公転させながら、接合経路２９に沿って公転軸線Ｌ３０を変位させて、被接合物１４を固相撹拌する。ツール退出段階では、接合ツール１１の公転を停止した状態で、接合ツールを自転させて、接合ツール１１を被接合物から退出させる。
【００５５】
換言すると、接合ツール１１を自転させた状態で、この接合ツール１１を、被接合物１４の接合経路２９に沿って、大略的に第１方向一方Ｘ１に変位させる。このように接合ツール１１を変位させるとき、被接合物１４の接合経路２９の一端で、接合ツール１１が被接合物１４に没入する。接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が接合経路２９上の予め定める第１設定位置Ｐ１２に到達すると、接合ツール１１の公転が開始される。接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が接合経路２９上の予め定める第２設定位置Ｐ１３に到達すると、接合ツール１１の公転が停止される。被接合物１４の接合経路２９の他端で、接合ツール１１が被接合物１４から退出する。
【００５６】
第１設定位置Ｐ１２は、接合経路２９の一端の位置Ｐ１１から第１方向一方Ｘ１に所定の第１距離Ｌ３１だけ離れた位置である。第２設定位置Ｐ１３は、接合経路２９の他端の位置Ｐ１４から第１方向他方Ｘ２に所定の第２距離Ｌ３２だけ離れた位置である。第２設定位置Ｐ１３は、第１設定位置Ｐ１２よりも第１方向一方Ｘ１の下流側にある。第１距離Ｌ３１は、５〜４０ｍｍに選ばれ、第２距離Ｌ３２は、５〜４０ｍｍに選ばれる。
【００５７】
第１および第２設定位置Ｐ１２，Ｐ１３は、接合経路２９の一端および他端の位置Ｐ１１，Ｐ１４と、第１および第２距離Ｌ３１，Ｌ３２とに基づいて演算される。接合経路２９の一端および他端の位置Ｐ１１，Ｐ１４は、作業者によって教示される。第１および第２距離Ｌ３１，Ｌ３２は、作業者によって予め設定される。前述のように第１および第２設定位置Ｐ１２，Ｐ１３は演算によって得られるので、第１および第２設定位置Ｐ１２，Ｐ１３を作業者が教示する必要はなく、したがって教示作業を簡略化することができる。
【００５８】
ツール没入段階およびツール退出段階では、接合ツール１１を公転させないので、被接合物１４の軟化していない端面部に対して、接合ツール１１が複数回、没入および退出を繰り返してしまうことを防ぐことができる。したがって接合ツール１１に大きな負荷が繰り返しかかることを防ぎ、接合ツール１１の破損を防ぐことができる。
【００５９】
図５は、摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。図６は、ツール没入段階からツール退出段階までの公転速度Ｖ２の変化を説明するための図である。図７は、接合ツール１１の動きを説明するための斜視図である。図８は、接合ツール１１の図７に続く動きを説明するための斜視図である。図６において、横軸は、公転軸線Ｌ３０の接合経路２９上の位置を示し、縦軸は、接合ツール１１の公転速度Ｖ２を示す。
【００６０】
被接合物１４は、この被接合物１４に関して第３方向一方Ｚ１側に設けられる被接合物保持台８０によって保持される。ステップａ０で、作業者などから接合動作の開始指令が与えられると、摩擦撹拌接合方法に従う接合動作を開始する。接合動作を開始すると、まず、接合ツール１１を、図７（１）に示すように、被接合物１４に対して、第１方向他方Ｘ２に間隔をあけ、かつ第３方向他方Ｚ２に間隔をあけた位置８６に移動させる。このとき、自転軸線Ｌ１１および公転軸線Ｌ３０は、被接合物１４に対して垂直な状態にある。また、自転軸線Ｌ１１および公転軸線Ｌ３０は、第２方向Ｙ１，Ｙ２に関して接合経路２９と同じ位置に配置される。このように接合ツール１１を移動させると、ステップａ１に進む。
【００６１】
ステップａ１では、接合ツール１１の自転を開始する。接合ツール１１の自転速度Ｖ１が設定自転速度Ｖ１ａになると、自転速度Ｖ１の増加を停止し、ステップａ２で、接合ツール１１を、第３方向一方Ｚ１に変位させる。接合ツール１１のピン部２６と被接合物１４とが第３方向Ｚ１，Ｚ２に関して同じ位置となると、接合ツール１１の第３方向一方Ｚ１への変位を停止して、ステップａ３に進む。
【００６２】
ステップａ３では、接合ツール１１を、第１方向一方Ｘ１に変位させ、ツール没入段階であるステップａ４では、図７（２）に示すように、接合ツール１１のピン部２６を被接合物１４に当接させ、没入させる。この後、ステップａ５で、接合ツール１１のショルダー部８１を被接合物１４に当接させ、ショルダー部８１を被接合物１４に押圧して、ステップａ６に進む。このようにショルダー部８１を被接合物１４に押圧した状態は、後述のステップａ１０まで維持される。ステップａ６では、図７（３）に示すように、接合ツール１１を、接合経路２９に沿って、第１方向一方Ｘ１に変位させる。
【００６３】
接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が第１設定位置Ｐ１２に到達すると、ステップａ７では、図８（１）に示すように、接合ツール１１の公転を開始する。接合ツール１１の公転速度Ｖ２が設定公転速度Ｖ２ａになると、公転速度Ｖ２の増加を停止し、撹拌段階であるステップａ８では、接合ツール１１を公転させた状態で、公転軸線Ｌ３０を、接合経路２９に沿って、第１方向一方Ｘ１に変位させる。このとき、接合ツール１１の自転速度Ｖ１は、設定自転速度Ｖ１ａに維持され、接合ツール１１の公転速度Ｖ２は、設定公転速度Ｖ２ａに維持され、公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３は、設定変位速度Ｖ３ａに維持される。
【００６４】
接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が第２設定位置Ｐ１３に到達すると、ステップａ９で、接合ツール１１の公転を停止して、ステップａ１０に進む。接合ツール１１の公転速度Ｖ２がゼロとなったとき、自転軸線Ｌ１１および公転軸線Ｌ３０は、第２方向Ｙ１，Ｙ２に関して接合経路２９と同じ位置に配置される。
【００６５】
ステップａ１０では、図８（２）に示すように、接合ツール１１を、接合経路２９に沿って、第１方向一方Ｘ１に変位させ、ツール退出段階であるステップａ１１で、図８（３）に示すように、接合ツール１１のピン部２６を被接合物１４から離反させる。この後、ステップａ１２で、接合ツール１１を、第１方向一方Ｘ１にさらに変位させる。
【００６６】
接合ツール１１が被接合物１４に対して第１方向一方Ｘ１に所定の距離だけ離れると、接合ツール１１の第１方向一方Ｘ１への変位を停止して、ステップａ１３で、接合ツール１１を、第３方向他方Ｚ２に変位させる。このようにして接合ツール１１を、図８（３）において仮想線で示される位置８７まで退避させた後、ステップａ１４で、接合ツール１１の自転を停止し、ステップａ１５で、接合動作を終了する。
【００６７】
公転軸線Ｌ３０を、接合経路２９の一端の位置Ｐ１１から他端の位置Ｐ１４にわたって変位させるとき、この公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３は、設定変位速度Ｖ３ａに維持される。本発明の実施の他の形態では、公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３は、公転軸線Ｌ３０を接合経路２９の一端の位置Ｐ１１から第１設定位置Ｐ１２まで変位させるとき、および公転軸線Ｌ３０を第２設定位置Ｐ１３から接合経路２９の他端の位置Ｐ１４まで変位させるときは、必ずしも設定変位速度Ｖ３ａに維持される必要はない。たとえば、接合経路２９の一端付近および他端付近で、公転速度Ｌ３０の変位速度Ｖ３を設定変位速度Ｖ３ａよりも低くしてもよい。また、第１および第２設定位置Ｐ１２，Ｐ１３の付近で、公転速度Ｌ３０の変位速度Ｖ３を、一旦、低下または停止してもよい。
【００６８】
図９は、図４の切断面線Ｓ９−Ｓ９から見た断面図である。図１０は、図９に対する比較例を示す断面図である。図９および図１０には、撹拌領域Ｓ１４を黒く塗りつぶして示す。図１０には、接合ツール１１の自転方向Ａと公転方向Ｂとを相互に同一とし、その他の条件については本実施の形態と同様にした場合の接合後の被接合物１４を示す。
【００６９】
図４を参照して説明したように、撹拌段階では、接合ツール１１を被接合物１４に没入した状態で、接合ツール１１を自転および公転させ、さらに公転軸線Ｌ３０を接合経路２９に沿って変位させて、被接合物１４を固相撹拌する。このとき、接合ツール１１は、接合経路２９、すなわち各被接合部材１２，１３の境界を繰り返し横断する。したがって各被接合部材１２，１３の対向する端面の間に図１に示すような隙間９８があっても、その隙間９８には、摩擦熱によって軟化されて流動化された被接合物１４の材料が充填される。これによって、前記隙間９８に起因して撹拌領域Ｓ１４に凹所が形成されるという不具合が防がれ、接合品質を高くすることができる。
【００７０】
公転直径Ｄ９０は、ピン部２６の外径Ｄ２６以上に選ばれる。公転直径Ｄ９０がピン部２６の外径Ｄ２６未満の場合、各被接合部材１２，１３の対向する端面の間の隙間９８に、流動化された被接合物１４の材料が充填されにくく、前記隙間９８への被接合物１４の材料の充填が不十分となる恐れがある。また公転直径Ｄ９０は、ショルダー部８１の外径Ｄ２８以下に選ばれる。公転直径Ｄ９０がショルダー部８１の外径Ｄ２８を超えると、被接合物１４の接合経路２９付近の固相撹拌が不十分となる恐れがある。
【００７１】
本実施の形態によれば、接合ツール１１の自転方向Ａと公転方向Ｂとを相互に反対に設定するので、接合後の被接合物１４における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００７２】
詳細に述べると、被接合物１４に対して接合ツール１１の自転軸線Ｌ１１を変位させると、その自転軸線Ｌ１１の移動軌跡に関して、自転によって接合ツール１１が回転変位する方向と自転軸線Ｌ１１の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物１４の材料が流動される。このとき、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０が高いほど、被接合物１４の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。
【００７３】
被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０は、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線Ｌ３０の変位方向とが同一となるときに、最高となる。このとき、本実施の形態では、接合ツール１１の自転方向Ａと公転方向Ｂとを相互に反対に設定するので、振れ領域Ｓ１の第２方向Ｙ１，Ｙ２の内側から外側に被接合物１４の材料が流動される。したがって振れ領域Ｓ１の内側には空洞が発生しやすいが、振れ領域Ｓ１の外側に図１０に示すような空洞９９が発生することは防ぐことができる。
【００７４】
振れ領域Ｓ１の内側では、被接合物１４は、最終的に、公転によって自転軸線Ｌ１１が変位する方向と、公転軸線Ｌ３０の変位によって自転軸線Ｌ１１が変位する方向とが略垂直となるときに固相撹拌される。本実施の形態における撹拌段階のように、自転速度Ｖ１、公転速度Ｖ２、および公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３が一定に保たれる場合、公転によって自転軸線Ｌ１１が変位する方向と、公転軸線Ｌ３０の変位によって自転軸線Ｌ１１が変位する方向とが略垂直となるときは、これらの方向が略同一となるときと比べて、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０が低い。つまり振れ領域Ｓ１の内側では、被接合物１４は、最終的に、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０が低いときに固相撹拌される。したがって振れ領域Ｓ１の内側では、仮に空洞が形成されたとしても、その空洞はなくなる可能性が高く、その空洞の残留を抑えることができる。
【００７５】
このように振れ領域Ｓ１の外側では、空洞の発生を防ぎ、振れ領域Ｓ１の内側では、仮に空洞が発生したとしても、その空洞の残留を抑えることができるので、全体として接合後の被接合物１４における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【００７６】
接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果は、自転速度Ｖ１、公転速度Ｖ２、および公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３を低くすることなく、達成することができる。自転速度Ｖ１を低くする必要がないので、被接合物１４の流動化を阻害しない自転速度Ｖ１で、接合ツール１１を自転させることができ、被接合物１４を確実に固相撹拌することができる。また、公転速度Ｖ２、および公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３を低くする必要がないので、接合ツール１１が大略的に接合経路２９に沿って進む速度を低くする必要がなく、高い処理速度を実現することができる。さらに自転速度Ｖ１、公転速度Ｖ２、および公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３を変化させる必要がないので、自転速度Ｖ１、公転速度Ｖ２、および公転軸線Ｌ３０の変位速度Ｖ３の制御を簡単にすることができる。
【００７７】
図１１は、図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法を実行する摩擦撹拌接合装置１０の全体の構成を簡略化して示す正面図である。図１２は、摩擦撹拌接合装置１０における装置本体１５の主要な構成を示す断面図である。摩擦撹拌接合装置１０は、装置本体１５と、装置本体１５が装着されるロボット１６と、制御手段である制御装置２０とを含む。
【００７８】
制御装置２０は、装置本体１５およびロボット１６を制御して、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法を実現する。ロボット１６は、工場の床などの設置対象１７に設けられる汎用ロボットであって、本実施の形態では、先端部１８を、直交３軸まわりに角変位させかつ前記直交３軸に沿ってスライド変位させることができる６軸ロボットである。装置本体１５は、基体１９を有し、この基体１９において、ロボット１６の先端部１８に固定される。この装置本体１５は、前記基体１９と、ツール保持具２１と、自転駆動手段２２と、公転駆動手段２３と、保持具変位駆動手段２４とを有する。
【００７９】
接合ツール１１は、大略的に円柱状の部材であって、本体部２５と、前記ピン部２６とを有する。本体部２５は、軸線方向一端部が先細状に形成される略円柱状であって、その軸線方向一端部には、接合ツール１１の軸線Ｌ１１と同一軸線を有する円柱状の台座部分２７を有する。この台座部分２７は、接合ツール１１の軸線Ｌ１１に垂直な端面２８が形成される。ピン部２６は、台座部分２７よりも外径が小さい円柱状であって、台座部分２７と同軸に設けられ、端面２８から接合ツール１１の軸線Ｌ１１に沿って突出する。接合ツール１１の台座部分２７におけるピン部２６寄りの端部は、前記ショルダー部８１に相当する。
【００８０】
ツール保持具２１は、大略的に円柱状であり、軸線方向一端部に、接合ツール１１が同軸に没入されて、接合ツール１１を着脱自在に保持する。ツール保持具２１は、接合ツール１１のピン部２６側の部分を突出させ、ツール保持具２１に対する接合ツール１１の軸線Ｌ１１まわりの回転および軸線Ｌ１１に沿う変位を阻止して、接合ツール１１を保持する。このツール保持具２１は、予め定める自転軸線Ｌ１１まわりに回転自在に、かつ自転軸線Ｌ１１と異なる公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在に設けられるとともに、公転軸線Ｌ３０に沿って変位自在に設けられる。本実施の形態では、自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０とは、平行である。自転軸線Ｌ１１は、接合ツール１１の軸線Ｌ１１と一致する。
【００８１】
自転駆動手段２２は、ツール保持具２１を自転軸線Ｌ１１まわりに回転駆動する。公転駆動手段２３は、ツール保持具２１を公転軸線Ｌ３０まわりに回転駆動する。保持具変位駆動手段２４は、ツール保持具２１を公転軸線Ｌ３０に沿ってスライド変位駆動する。
【００８２】
図１３は、図１１の切断面線Ｓ１３−Ｓ１３から見た断面図である。図１４は、図１１の切断面線Ｓ１４−Ｓ１４から見た断面図である。図１１および図１２を併せて参照して、装置本体１５は、回転支持台３０をさらに有する。回転支持台３０は、軸線方向に挿通する挿通孔３１が形成される大略的に円筒状の部材である。回転支持台３０の軸線Ｌ３０と挿通孔３１の軸線Ｌ１１とは、偏心している。回転支持台３０の軸線Ｌ３０は、公転軸線Ｌ３０と一致する。挿通孔３１の軸線Ｌ１１は、自転軸線Ｌ１１と一致する。
【００８３】
回転支持台３０は、回転支持台３０に外嵌される複数、本実施の形態では２つの支持台軸受３３，３４を介して、回転支持台３０の軸線Ｌ３０まわりに回転自在に、基体１９に支持される。また回転支持台３０は、挿通孔３１に嵌まり込む保持具軸受３５，３６を介して、環状の保持具スプライン受３７，３８を支持する。本実施の形態では、複数たとえば２つの保持具スプライン受３７，３８が、同数の保持具軸受３５，３６によって１つずつ、挿通孔３１の軸線Ｌ１１まわりに回転自在に支持される。一方の支持台軸受３３、一方の保持具軸受３５および一方の保持具スプライン受３７は、軸線方向に関して同一の位置に配置され、他方の支持台軸受３４、他方の保持具軸受３６および他方の保持具スプライン受３８は、軸線方向に関して同一の位置に配置される。
【００８４】
ツール保持具２１は、回転支持台３０に支持される各保持具スプライン受３７，３８を共通に挿通して、挿通孔３１と同軸に設けられる。ツール保持具２１の外周部には、スプラインが形成されており、ツール保持具２１は、各保持具スプライン受３７，３８にスプライン結合されて、各保持具スプライン受３７，３８に対して、ツール保持具２１の軸線まわりの回転が阻止されかつツール保持具２１の軸線に沿って変位自在に設けられる。このようにしてツール保持具２１は、その軸線と一致する自転軸線Ｌ１１まわりに回転自在かつ回転支持台３０の軸線と一致する公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在に、さらに公転軸線Ｌ３０に沿ってスライド変位自在に設けられる。
【００８５】
自転駆動手段２２は、自転モータ４０と、自転伝達機構４１とを有する。自転駆動部である自転モータ４０は、サーボモータによって実現され、基体１９に固定されて設けられる。自転モータ４０の出力軸４２は、自転軸線Ｌ１１と平行に配置され、自転モータ軸受４３を介して、その軸線まわりに回転自在に基体１９に支持されている。
【００８６】
自転伝達部である自転伝達機構４１は、回転体４５と、索条連結体４６と、軸連結体４７とを有する。基体１９には、回転体軸受４８〜５０を介して、環状の回転体スプライン受５１〜５３が、軸線を公転軸線Ｌ３０と一致させて支持されている。本実施の形態では、複数たとえば３つの回転体スプライン受５１〜５３が、同数の回転体軸受４８〜５０によって１つずつ、それらの軸線まわりに回転自在に支持される。回転体４５は、略円柱状の部材であり、その軸線を公転軸線Ｌ３０と一致させ、各回転体スプライン受５１〜５３を共通に挿通して設けられる。回転体４５の外周部には、スプラインが形成されており、回転体４５は、各回転体スプライン受５１〜５３にスプライン結合されて、各回転体スプライン受５１〜５３に対して、回転体４５の軸線まわりの回転が阻止されかつ回転体４５の軸線に沿って変位自在に設けられる。このようにして回転体４５は、その軸線と一致する公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在かつ公転軸線Ｌ３０に沿ってスライド変位自在に設けられる。
【００８７】
索条連結体４６は、回転自在である動力伝達輪間に無端状の索条が巻き掛けられて、動力を伝達可能に構成されている。動力伝達輪は、プーリ、有歯ベルト車およびスプロケットホイールなどであってもよく、索条は、ロープ、ベルト、タイミングベルトおよびチェーンなどであってもよいが、本実施の形態では、有歯ベルト車とタイミングベルトの組合わせが用いられる。したがって索条連結体４６は、２つの有歯ベルト車５５，５６と、タイミングベルト５７とを有する。一方の有歯ベルト車５５は、自動モータ４０の出力軸４２に固定される。他方の有歯ベルト車５６は、前記３つの回転体スプライン受５１〜５３のうち、中央に配置される回転体スプライン受５２の外周部に、一体に形成される。タイミングベルト５７は、各有歯ベルト車５５，５６にわたって巻き掛けられる。このような構成によって、自転モータ４０の出力軸４２の回転力を、回転体４５に伝達することができる。
【００８８】
軸連結体４７は、軸部材５９と、２つの自在継手６０，６１とを有する。軸部材５９は、その軸線を自転軸線Ｌ１１および公転軸線Ｌ３０に対して傾斜させて設けられる。この軸部材５９の軸線方向一端部は、一方の自在継手６０によって、回転体４５の軸線方向一端部に連結される。また軸部材５９の軸線方向他端部は、他方の自在継手６１によって、ツール保持具２１の軸線方向他端部に連結される。このような構成によって、回転体４５の公転軸線Ｌ３０まわりの回転力を、偏心したツール保持具２１に、自転軸線Ｌ１１まわりの回転として伝達することができるとともに、回転体４５の公転軸線Ｌ３０に沿う方向の変位力を、偏心したツール保持具２１に、公転軸線Ｌ３０に平行な自転軸線Ｌ１１に沿う方向の変位として伝達することができる。また回転体４５がツール保持具２１の公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在に設けられているので、ツール保持具２１は、公転軸線Ｌ３０に沿って変位しないように公転することができる。もちろんこのようにツール保持具２１が公転しても、回転体４５の回転力をツール保持具２１に伝達することができる。
【００８９】
このような自転駆動手段２２は、自転モータ４０の回転駆動力を、自転伝達機構４１によってツール保持具２１に伝達し、ツール保持具２１を自転駆動することができる。自転モータ４０は、正逆両方向へ回転駆動力を出力することができ、自転駆動手段２２は、ツール保持具２１を自転軸線Ｌ１１まわりの両方向へ回転駆動することができる。
【００９０】
公転駆動手段２３は、公転モータ６５と、公転伝達機構６６とを有する。公転駆動部である公転モータ６５は、サーボモータによって実現され、基体１９に固定されて設けられる。公転モータ６５の出力軸６７は、公転軸線Ｌ３０と平行に配置され、公転モータ軸受６８を介して、その軸線まわりに回転自在に基体１９に支持されている。
【００９１】
公転伝達部である公転伝達機構６６は、歯車列によって実現され、本実施の形態では、２つの外歯平歯車である歯車７０，７１を有する。一方の歯車７０は、公転モータ６５の出力軸６７に固定される。他方の歯車７１は、回転支持台３０の外周部に、支持台軸受３３，３４のほぼ中央位置に配置されて、一体に形成される。各歯車７０，７１は、互いに噛合している。このような構成によって、公転モータ６５の出力軸６６の回転力を、回転支持台３０に伝達することができる。
【００９２】
したがって公転駆動手段２３は、公転モータ６５の回転駆動力を、公転伝達機構６６によって回転支持台３０に伝達して回転支持台３０を公転軸線Ｌ３０まわりに回転し、これによって回転支持台３０に偏心して支持されるツール保持具２１を公転駆動することができる。公転モータ４０は、正逆両方向へ回転駆動力を出力することができ、公転駆動手段２３は、ツール保持具２１を公転軸線Ｌ３０まわりの両方向へ回転駆動することができる。
【００９３】
保持具変位駆動手段２４は、ねじ軸７５と、ナット部材７６と、電磁ブレーキ７７とを有する。ねじ軸７５は、軸線方向一端部に外ねじが形成されるねじ部７８を有し、その軸線を公転軸線Ｌ３０と一致させて設けられる。このねじ軸７５は、ねじ軸受７９を介して、その軸線まわりに回転自在に、基体１９に支持されている。ねじ軸受７９は、スラスト軸受であり、ねじ軸７５の軸線方向の変位を阻止して、ねじ軸７５を支持している。ナット部材７６は、ボールねじである内ねじが形成され、回転体４５の軸線方向他端部に、回転体４５と同軸に固定される。このナット部材７６とねじ軸７５とは相互に螺着されている。
【００９４】
電磁ブレーキ７７は、基体１９に固定されて設けられ、ねじ軸７５の軸線方向他端部が没入されており、ねじ軸７５の軸線まわりの回転を制動させるための手段である。電磁ブレーキ７７は、内部にコイルを有しており、コイルが通電されて励磁される励磁状態と、コイルが通電されず励磁されていない非励磁状態とで、ねじ軸７５の回転を制動する制動状態と、ねじ軸７５の回転を制動しない非制動状態とに切り換わる。本実施の形態では、励磁状態において制動状態となり、非励磁状態において非制動状態となる。
【００９５】
電磁ブレーキ７７が非制動状態にあるとき、ねじ軸７５は自在に回転できるので、回転体４５が自転モータ４０からの回転駆動力で回転されると、ねじ軸７５は、回転体４５と共に回転し、回転体４５に対しては回転しない。この状態では、回転体４５は、公転軸線Ｌ３０に沿って変位しない。
【００９６】
電磁ブレーキ７７が制動状態にあるとき、ねじ軸７５は、回転阻止されているので、回転体４５が自転モータ４０からの回転駆動力で回転されると、ねじ軸７５は、回転体４５に対して相対的に回転する。この状態では、ねじ軸７５とナット部材７６とが相対的に回転するので、ナット部材７６が固定される回転体４５が、ねじ軸７５に対して公転軸線Ｌ３０に沿って変位する。ねじ軸７５は、軸線方向の変位が阻止されているので、回転体４５が公転軸線Ｌ３０に沿って変位する。このような構成によって、保持具変位駆動手段２４は、自転駆動手段２２による回転体４５の回転を利用して、ツール保持具２１を、公転軸線Ｌ３０に沿って変位駆動することができる。
【００９７】
回転体４５が軸線に沿って変位する方向は、回転体４５が回転する方向によって変化する。たとえばねじ軸７５が右ねじである場合、自転モータ４０を正転させて、接合ツール１１の軸線方向他端部から軸線方向一端部に向かう方向（図１２の下方：以下、この方向を前進方向といい、反対方向を後退方向という場合がある）に見て、回転体４５を時計回りに回転させると、回転体４５が前進方向へ変位（以下「前進」という場合がある）する。このように回転体４５が前進すると、その変位が軸連結体４７によってツール保持具２１に伝達され、ツール保持具２１が同様に前進する。ねじ軸７５が右ねじである場合に、自転モータ４０を逆転させて、前進方向に見て、回転体４５を反時計回りに回転させると、回転体４５が後退方向へ変位（以下「後退」という場合がある）する。このように回転体４５が後退すると、その変位が軸連結体４７によってツール保持具２１に伝達され、ツール保持具２１が同様に後退する。ねじ軸７５が左ねじの場合は、回転体４５の回転方向に対して軸線方向の変位方向が逆になる。 
【００９８】
このような摩擦撹拌接合装置１０では、回転支持台３０が公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在に基体１９に支持され、この回転支持台３０に公転軸線Ｌ３０から偏心した自転軸線Ｌ１１まわりに回転自在にツール保持具２１が支持される。これによってツール保持具２１を自転および公転自在に保持することができる。自転駆動手段２２は、自在継手６０，６１を備える自転伝達機構４１によって、基体１９に固定される自転モータ４０の回転駆動力を、公転するツール保持具２１に伝達して、ツール保持具２１を自転駆動することができる。また公転駆動手段２３は、公転伝達機構６６によって、基体１９に固定される公転モータ６５の回転駆動力を回転支持台３０に伝達して回転させ、ツール保持具２１を公転駆動することができる。このように簡単な構成によって、ツール保持具２１の自転および公転を実現することができる。また自転モータ４０および公転モータ４１のいずれも基体１９に固定される構成とし、これら各モータ４０，６５によって駆動される構成体を小さくし、装置全体を小形にすることができるとともに、ツール保持具２１の自転および公転駆動を容易にすることができる。
【００９９】
また自転伝達機構４１が、公転軸線Ｌ３０まわりに回転自在である回転体４５を設け、この回転体４５とツール保持具２１とを、軸部材５９および２つの自在継手６０，６１を有する軸連結体４７を用いて連結する構成とすることによって、ツール保持具２１が、公転軸線Ｌ３０に沿う方向に変位しない状態で、ツール保持具２１を公転させながら自転させることができる。また回転体４５は、軸線方向に関して、回転体軸受４８，５０によって支持される支持位置間の中央において、自転モータ４０からの駆動力が入力されるので、安定した回転を実現することができ、接合ツール１１の安定した自転を実現することができる。また回転支持台３０は、軸線方向に関して、支持台軸受３３，３４によって支持される支持位置間の中央において、公転モータ６５からの駆動力が入力されるとともに、この回転支持台３０に対して、回転支持台３０が支持される位置と同一の位置において、ツール保持具２１が保持具軸受３５，３６に支持されるので、接合ツール１１の安定した公転を実現することができる。
【０１００】
本実施の形態では、ロボット１６が、軸線変位駆動手段として用いられる。ロボット１６は、前述のように、先端部１８を直交３軸まわりに回転させることができる構成であり、装置本体１５の全体を、接合経路２９に沿って変位させることができる。このように装置本体１５全体を変位させることによって、接合ツール１１を接合経路２９に沿って変位させることができる。
【０１０１】
摩擦撹拌接合装置１０は、ツール保持具２１によって接合ツール１１を保持し、自転駆動手段２２によってツール保持具２１を自転させ、公転駆動手段２３によってツール保持具２１を公転させ、軸線変位駆動手段であるロボット１６によって接合経路２９に沿って公転軸線Ｌ３０を変位させる。自転駆動手段２２、公転駆動手段２３、保持具変位駆動手段２４およびロボット１６は、制御装置２０によって制御される。
【０１０２】
このような摩擦撹拌接合装置１０は、設置対象１７に設定されて設けられる被接合物保持台８０を有しており、被接合物保持台８０に被接合物１４を載置して保持させ、接合ツール１１が被接合物１４に臨むように配置される。摩擦撹拌接合装置１０は、接合ツール１１を自転させながら、この接合ツール１１と被接合物保持台８０とによって被接合物１４を挟むようにして、接合ツール１１を被接合物１４に没入し、被接合物１４の接合ツール１１に接触する部分を摩擦熱によって軟化させ、流動化させる。このように被接合物１４を、軟化流動させて固相撹拌して、各被接合部材１２，１３を接合する。
【０１０３】
図１５は、本発明の実施の他の形態の摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するための断面図である。図１６は、ツール没入段階からツール退出段階までの公転速度Ｖ２の変化を説明するための図である。図１６（１）において、横軸は、公転軸線Ｌ３０の接合経路２９上の位置を示し、縦軸は、接合ツール１１の公転速度Ｖ２を示す。図１６（２）において、横軸は、公転軸線Ｌ３０の接合経路２９上の位置を示し、縦軸は、自転軸線Ｌ１１の第２方向Ｙ１，Ｙ２に関する位置を示す。図１６（２）の縦軸については、接合経路２９上をゼロとし、接合経路２９に関して第２方向一方Ｙ１側を正とする。
【０１０４】
本実施の形態の摩擦撹拌接合方法は、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法と類似しており、異なる点についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。図１５に示す摩擦撹拌接合方法は、前述の図１１〜図１４に示す摩擦撹拌接合装置１０を用いて行われる。
【０１０５】
振れ領域Ｓ１のうち、接合経路２９に関して第２方向一方Ｙ１側の領域１０１では、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線Ｌ３０の変位方向とが相互に略同一となり、接合経路２９に関して第２方向他方Ｙ２側の領域１０２では、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線Ｌ３０の変位方向とが相互に略反対となる。本実施の形態においては、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線Ｌ３０の変位方向とが相互に略同一となる領域を、方向同一領域と称し、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線Ｌ３０の変位方向とが相互に略反対となる領域を、方向反対領域と称する。
【０１０６】
前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法では、撹拌段階における公転速度Ｖ２は一定であるが、本実施の形態では、方向同一領域１０１では、方向反対領域１０２に比べて、公転速度Ｖ２が低くなるように、接合ツール１１を公転させる。このようにして、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０を予め定める速度Ｖ１０ａ以下とする。一例として述べると、被接合物１４がアルミニウム合金であり、前述の接合ツール１１が用いられる場合、前記予め定める速度Ｖ１０ａは、７４０ｍｍ／ｍｉｎである。方向同一領域１０１における公転速度Ｖ２である第１設定公転速度Ｖ２ｂは、１０ｍｉｎ−１に選ばれ、方向反対領域１０２における公転速度Ｖ２である第２設定公転速度Ｖ２ｃは、２０ｍｉｎ−１に選ばれる。
【０１０７】
本実施の形態によれば、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０を予め定める速度Ｖ１０ａ以下に設定するので、接合後の被接合物１４における空洞の形成を抑えて、接合品質をさらに高くすることができる。
【０１０８】
詳細に述べると、被接合物１４に対して接合ツール１１の自転軸線Ｌ１１を変位させると、その自転軸線Ｌ１１の移動軌跡に関して、自転によって接合ツール１１が回転変位する方向と自転軸線Ｌ１１の変位方向とが略同一になる方向同一側からその反対側に、被接合物１４の材料が流動される。このとき、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０が予め定める速度Ｖ１０ａを超えると、被接合物１４の材料の流動によって、方向同一側に空洞が発生しやすくなる。この性質を考慮して、本実施の形態では、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０を予め定める速度Ｖ１０ａ以下に設定するので、空洞の発生を防ぎ、接合品質をさらに高くすることができる。
【０１０９】
また本実施の形態によれば、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略同一となる方向同一領域１０１では、公転による自転軸線Ｌ１１の変位方向と、公転軸線の変位方向とが相互に略反対となる方向反対領域１０２に比べて、公転速度Ｖ２が低くなるように、接合ツール１１を公転させる。このようにして、方向同一領域１０１において、被接合物１４に対する自転軸線Ｌ１１の相対速度Ｖ１０を低くする。
【０１１０】
したがって、接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果を、自転速度Ｖ１、および公転軸線の変位速度Ｖ３を低くすることなく、達成することができる。自転速度Ｖ１を低くする必要がないので、被接合物１４の流動化を阻害しない自転速度Ｖ１で、接合ツール１１を自転させることができ、被接合物１４を確実に固相撹拌することができる。また、公転軸線の変位速度Ｖ３を低くする必要がないので、接合ツール１１が大略的に接合経路に沿って進む速度を低くする必要がなく、高い処理速度を実現することができる。
【０１１１】
また、接合品質をさらに高くすることができるという前述の効果を、接合ツール１１の自転方向Ａと公転方向Ｂとの関係に拘わらず、達成することができる。したがって接合ツール１１の自転方向Ａおよび公転方向Ｂに関しては、接合跡が良好となるように選択して、接合品質をさらに高くすることができる。
【０１１２】
図１７は、本発明の実施のさらに他の形態の摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。図１８は、ツール没入段階からツール退出段階までの公転直径Ｄ９０の変化を説明するための図である。図１８において、横軸は、公転軸線Ｌ３０の接合経路２９上の位置を示し、縦軸は、公転直径Ｄ９０を示す。本実施の形態の摩擦撹拌接合方法は、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法と類似しており、異なる点についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。
【０１１３】
公転軸線Ｌ３０を接合経路２９の一端の位置Ｐ１１から第１設定位置Ｐ１２まで変位させるとき、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法では、接合ツール１１を公転させないが、本実施の形態では、公転直径Ｄ９０を徐々に大きくしながら接合ツール１１を公転させる。また公転軸線Ｌ３０を第２設定位置Ｐ１３から接合経路２９の他端の位置Ｐ１４まで変位させるとき、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法では、接合ツール１１を公転させないが、本実施の形態では、公転直径Ｄ９０を徐々に小さくしながら接合ツール１１を公転させる。
【０１１４】
ステップｂ０で、作業者などから接合動作の開始指令が与えられると、摩擦撹拌接合方法に従う接合動作を開始する。接合動作を開始すると、前述の図５のステップａ１〜ａ５を実行する。
【０１１５】
次に、ステップｂ１で、公転直径Ｄ９０を徐々に大きくしながら、接合ツール１１を公転させ、公転軸線Ｌ３０を第１方向一方Ｘ１に変位させる。接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が第１設定位置Ｐ１２に到達すると、公転直径Ｄ９０の増加を停止し、ステップｂ２で、公転直径Ｄ９０を一定にして、接合ツール１１を公転させ、公転軸線Ｌ３０を第１方向一方Ｘ１に変位させる。接合ツール１１の公転軸線Ｌ３０が第２設定位置Ｐ１３に到達すると、ステップｂ３で、公転直径Ｄ９０を徐々に小さくしながら、接合ツール１１を公転させ、公転軸線Ｌ３０を第１方向一方Ｘ１に変位させる。この後、前述の図５のステップａ１１〜ａ１３を実行し、ステップｂ５で、接合動作を終了する。
【０１１６】
図１９は、接合後の被接合物１４を示す平面図である。図１９において、撹拌領域Ｓ１４は斜線で示す。接合経路２９の一端付近では、第１方向一方Ｘ１に向かって進むにつれて、撹拌領域Ｓ１４の第２方向Ｙ１，Ｙ２の幅は、徐々に大きくなる。また接合経路２９の他端付近では、第１方向一方Ｘ１に向かって進むにつれて、撹拌領域Ｓ１４の第２方向Ｙ１，Ｙ２の幅は、徐々に小さくなる。したがって接合経路２９の一端付近および他端付近では、撹拌領域Ｓ１４の形状が滑らかに変化するので、応力集中を防ぐことができ、接合強度を向上することができる。
【０１１７】
本実施の形態では、接合経路２９の一端付近および他端付近で、撹拌領域Ｓ１４の縁辺１０５と接合経路２９との成す角度θ１が４５°になるように、第１設定位置Ｐ１２および第２設定位置Ｐ１３が選ばれる。これによって応力集中を可及的に防ぐことができる。
【０１１８】
図２０は、図１７〜図１９に示す摩擦撹拌接合方法を実行する摩擦撹拌接合装置における装置本体１５Ｘの主要な構成を示す断面図である。摩擦撹拌接合装置は、図１１〜図１４に示す摩擦撹拌接合装置１０と類似しており、対応する部分には同一の符号を付し、異なる点についてだけ説明して、同様の構成については説明を省略する。装置本体１５Ｘは、図１２に示す装置本体１５に対応する構成であり、基体１９を有し、この基体１９において、ロボット１６の先端部１８に固定される。この装置本体１５Ｘは、前記基体１９と、ツール保持具２１と、自転駆動手段２２と、保持具変位駆動手段２４とを有する。
【０１１９】
基体１９には、保持具軸受１１１〜１１３を介して、環状の保持具スプライン受１１４〜１１６が支持されている。本実施の形態では、複数たとえば３つの保持具スプライン受１１４〜１１６が、同数の保持具軸受１１１〜１１３によって１つずつ、それらの軸線まわりに回転自在に支持される。ツール保持具２１は、保持具スプライン受１１４〜１１６を共通かつ同軸に挿通して設けられる。ツール保持具２１の外周部には、スプラインが形成されており、ツール保持具２１は、各保持具スプライン受１１４〜１１６にスプライン結合されて、各保持具スプライン受１１４〜１１６に対して、接合ツール１１の軸線Ｌ１１と一致するツール保持具２１の軸線まわりの回転が阻止されかつツール保持具２１の軸線に沿って変位自在に設けられる。このようにしてツール保持具２１は、その軸線と一致する接合ツール１１の軸線（自転軸線）Ｌ１１まわりに回転自在に、かつこの自転軸線Ｌ１１に沿ってスライド変位自在に設けられる。
【０１２０】
自転駆動手段２２は、自転モータ４０と、自転伝達機構４１とを有する。自転伝達機構４１は、動力伝達輪間に無端状の索条が巻き掛けられて、動力を伝達する構成であり、本実施の形態では、動力伝達輪として有歯ベルト車と、索条としてタイミングベルトとの組合わせが用いられる。したがって自転伝達機構４１は、２つの有歯ベルト車５５，５６と、タイミングベルト５７とを有する。一方の有歯ベルト車５５は、自動モータ４０の出力軸４２に固定される。他方の有歯ベルト車５６は、前記３つの保持具スプライン受１１４〜１１６のうち、中央に配置される保持具スプライン受１１５の外周部に、一体に形成される。タイミングベルト５７は、各有歯ベルト車５５，５６にわたって巻き掛けられる。このような構成によって、自転モータ４０の出力軸４２の回転力を、ツール保持具２１に伝達することができる。
【０１２１】
このような自転駆動手段２２は、自転モータ４０の回転駆動力を、自転伝達機構４１によってツール保持具２１に伝達し、ツール保持具２１を自転駆動することができる。自転モータ４０は、正逆両方向へ回転駆動力を出力することができ、自転駆動手段２２は、ツール保持具２１を自転軸線Ｌ１１まわりの両方向へ回転駆動することができる。
【０１２２】
保持具変位駆動手段２４は、ねじ軸７５と、ナット部材７６と、電磁ブレーキ７７とを有する。ねじ軸７５は、軸線方向一端部に外ねじが形成されるねじ部７８を有し、その軸線を自転軸線Ｌ１１と一致させて設けられる。このねじ軸７５は、ねじ軸受７９を介して、その軸線まわりに回転自在に、基体１９に支持されている。ねじ軸受７９は、スラスト軸受であり、ねじ軸７５の軸線方向の変位を阻止して、ねじ軸７５を支持している。ナット部材７６は、ボールねじである内ねじが形成され、ツール保持具２１の軸線方向他端部に、ツール保持具２１と同軸に固定される。このナット部材７６とねじ軸７５とは相互に螺着されている。
【０１２３】
電磁ブレーキ７７は、基体１９に固定されて設けられ、ねじ軸７５の軸線方向他端部が没入されており、ねじ軸７５の軸線まわりの回転を制動させるための手段である。電磁ブレーキ７７は、内部にコイルを有しており、コイルが通電されて励磁される励磁状態と、コイルが通電されず励磁されていない非励磁状態とで、ねじ軸７５の回転を制動する制動状態と、ねじ軸７５の回転を制動しない非制動状態とに切り換わる。本実施の形態では、励磁状態において制動状態となり、非励磁状態において非制動状態となる。
【０１２４】
電磁ブレーキ７７が非制動状態にあるとき、ねじ軸７５は自在に回転できるので、ツール保持具２１が自転モータ４０からの回転駆動力で回転されると、ねじ軸７５は、ツール保持具２１と共に回転し、ツール保持具２１に対しては回転しない。この状態では、ツール保持具２１は、自転軸線Ｌ１１に沿って変位しない。
【０１２５】
電磁ブレーキ７７が制動状態にあるとき、ねじ軸７５は、回転阻止されているので、ツール保持具２１が自転モータ４０からの回転駆動力で回転されると、ねじ軸７５は、ツール保持具２１に対して相対的に回転する。この状態では、ねじ軸７５とナット部材７６とが相対的に回転するので、ナット部材７６が固定されるツール保持具２１が、ねじ軸７５に対して自転軸線Ｌ１１に沿って変位する。ねじ軸７５は、軸線方向の変位が阻止されているので、ツール保持具２１が自転軸線Ｌ１１に沿って変位する。このような構成によって、保持具変位駆動手段２４は、自転駆動手段２２によるツール保持具２１の回転を利用して、ツール保持具２１を、自転軸線Ｌ１１に沿って変位駆動することができる。
【０１２６】
ツール保持具２１が軸線に沿って変位する方向は、ツール保持具２１が回転する方向によって変化する。たとえばねじ軸７５が右ねじである場合、自転モータ４０を正転させて、接合ツール１１の軸線方向他端部から軸線方向一端部に向かう方向（図２０の下方：以下、この方向を前進方向といい、反対方向を後退方向という場合がある）に見て、ツール保持具２１を時計回りに回転させると、ツール保持具２１が前進方向へ変位（以下「前進」という場合がある）する。ねじ軸７５が右ねじである場合に、自転モータ４０を逆転させて、前進方向に見て、ツール保持具２１を反時計回りに回転させると、ツール保持具２１が後退方向へ変位（以下「後退」という場合がある）する。ねじ軸７５が左ねじの場合は、ツール保持具２１の回転方向に対して軸線方向の変位方向が逆になる。 
【０１２７】
本実施の形態では、ロボット１６が、公転駆動手段および軸線変位駆動手段として用いられる。ロボット１６は、前述のように、先端部１８を直交３軸まわりに回転させることができる構成であり、装置本体１５Ｘの全体を、自転軸線Ｌ１１と平行な公転軸線Ｌ３０まわりに回転させることができる。このように装置本体１５Ｘ全体を公転軸線Ｌ３０まわりに回転させることによって、接合ツール１１を公転軸線Ｌ３０まわりに公転駆動することができる。またロボット１６は、装置本体１５Ｘの全体を、接合経路２９に沿って変位させることができる。このように装置本体１５全体を変位させることによって、接合ツール１１を接合経路２９に沿って変位させることができる。
【０１２８】
摩擦撹拌接合装置は、ツール保持具２１によって接合ツール１１を保持し、自転駆動手段２２によってツール保持具２１を自転させ、公転駆動手段であるロボット１６によってツール保持具２１を公転させ、軸線変位駆動手段であるロボット１６によって接合経路２９に沿って公転軸線Ｌ３０を変位させる。自転駆動手段２２およびロボット１６は、制御装置によって制御される。
【０１２９】
図２１は、本発明の実施のさらに他の形態である摩擦撹拌接合方法における公転を説明するために、接合ツール１１の一部を示す正面図である。本実施の形態の摩擦撹拌接合方法は、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法と類似しており、異なる点についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。この摩擦撹拌接合方法は、図２０に示す装置本体１５Ｘを有する摩擦撹拌接合装置を用いて行われる。
【０１３０】
前述の実施の形態では、接合ツール１１を、その軸線Ｌ１１と一致する自転軸線Ｌ１１と平行な公転軸線Ｌ３０まわりに回転させるけれども、本実施の形態では、接合ツール１１を、その軸線Ｌ１１上の一点である錐揉み点１４０を中心にして錐揉み回転させる。詳細に述べると、接合ツール１１を、自転軸線Ｌ１１に対して予め定める傾斜角度θを成して傾斜する公転軸線Ｌ３０まわりに回転させる。これによって接合ツール１１を、自転軸線Ｌ１１と公転軸線Ｌ３０との交点となる前記錐揉み点１４０を中心に錐揉み回転させる。本実施の形態では、錐揉み点１４０は、接合ツール１１のピン部２６から離間した位置に存在する。
【０１３１】
このような公転は、６軸ロボットであるロボット１６を用いて装置本体１５Ｘを変位駆動すれば、容易に実現することができる。このように接合ツール１１を錐揉み回転状に公転させる構成であっても、接合ツール１１を公転させることによる効果を、前述の図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法と同様に達成することができる。またこのような構成は、被接合物１４が、凹状の部分を有する場合に、その凹状の部分を、凹となる側から接合ツール１１で撹拌して接合するために好適に用いることができる。
【０１３２】
図２２に示す実施の形態では、接合ツール１１を、錐揉み状に公転させるにあたって、接合ツール１１のピン部２６から離間する位置に錐揉み点１４０が存在したけれども、その他の位置に錐揉み点が存在してもよく、たとえば図２２に示すように、本体部２５とピン部２６との連結部付近に錐揉み点１４０が存在するように、公転させてもよく、同様の効果を達成することができる。
【０１３３】
前述の実施の各形態は、本発明の例示に過ぎず、本発明の範囲内において構成を変更することができる。前述の実施の各形態では、軸線変位駆動手段としてロボット１６が用いられるが、軸線変位駆動手段は、被接合物１４に対して第１方向Ｘ１，Ｘ２にスライド変位可能な門形フレームによって実現されてもよい。
【０１３４】
また前述の実施の各形態では、突合せ継手を形成するために各被接合部材１２，１３の端面同士を突き合わせて被接合物１４を構成するが、重ね継手を形成するために各被接合部材１２，１３をそれらの厚み方向に積重して被接合物１４を構成してもよい。各被接合部材１２，１３をそれらの厚み方向に積重して被接合物１４を構成する場合も、接合ツール１１を自転させるだけでなく、自転とともに公転させ、さらに公転軸線Ｌ３０を第１方向一方Ｘ１に変位させる。これによってピン部２６を大きくすることなく、被接合物１４における軟化および流動化させて撹拌する撹拌領域Ｓ１４を大きくし、接合領域を大きくすることができる。したがって接合領域を大きくして接合強度を大きくすることができるうえ、接合後に残存する孔を小さく抑えるとともに、撹拌時における被接合物１４の素材の飛散量を少なく抑え、接合品質を高くすることができる。また接合ツール１１の被接合物１４への没入を容易にし、作業性を良好にすることができる。これらの効果を達成したうえで、前述の実施の各形態と同様の効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明の実施の一形態の摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するために、接合前の被接合物１４の一部を示す平面図である。
【図２】接合ツール１１の先端部付近を示す断面図である。
【図３】図２の切断面線Ｓ３−Ｓ３から見た断面図である。
【図４】摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するために、接合後の被接合物１４を示す平面図である。
【図５】摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。
【図６】ツール没入段階からツール退出段階までの公転速度Ｖ２の変化を説明するための図である。
【図７】接合ツール１１の動きを説明するための斜視図である。
【図８】接合ツール１１の図７に続く動きを説明するための斜視図である。
【図９】図４の切断面線Ｓ９−Ｓ９から見た断面図である。
【図１０】図９に対する比較例を示す断面図である。
【図１１】図１〜図１０に示す摩擦撹拌接合方法を実行する摩擦撹拌接合装置１０の全体の構成を簡略化して示す正面図である。
【図１２】摩擦撹拌接合装置１０における装置本体１５の主要な構成を示す断面図である。
【図１３】図１１の切断面線Ｓ１３−Ｓ１３から見た断面図である。
【図１４】図１１の切断面線Ｓ１４−Ｓ１４から見た断面図である。
【図１５】本発明の実施の他の形態の摩擦撹拌接合方法における接合ツール１１の動きを説明するための断面図である。
【図１６】ツール没入段階からツール退出段階までの公転速度Ｖ２の変化を説明するための図である。
【図１７】本発明の実施のさらに他の形態の摩擦撹拌接合方法を示すフローチャートである。
【図１８】ツール没入段階からツール退出段階までの公転直径Ｄ９０の変化を説明するための図である。
【図１９】接合後の被接合物１４を示す平面図である。
【図２０】図１７〜図１９に示す摩擦撹拌接合方法を実行する摩擦撹拌接合装置における装置本体１５Ｘの主要な構成を示す断面図である。
【０１３６】
【図２１】本発明の実施のさらに他の形態である摩擦撹拌接合方法における公転を説明するために、接合ツール１１の一部を示す正面図である。
【図２２】本発明の実施のさらに他の形態である摩擦撹拌接合方法における公転を説明するために、接合ツール１１の一部を示す正面図である。
【符号の説明】
【０１３７】
１０  摩擦撹拌接合装置
１１  接合ツール
１２，１３  被接合部材
１４  被接合物
１５  装置本体
１５Ｘ  装置本体
１６  ロボット
２０  制御装置
２１  ツール保持具
２２  自転駆動手段
２３  公転駆動手段
２４  ツール変位駆動手段
Ｌ１１  自転軸線
Ｌ３０  公転軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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